巨大星系群MACSJ.5+发出的光经过50亿年才到达地球，是哈勃前沿领域项目的目标之一。这个巨大的物体在引力作用下对它后面的物体进行透镜化，对它们进行拉伸和放大，从而使人们能够看到比相对空旷的区域更遥远的太空深处。透镜星系是所有星系中距离最远的，可以用来测试宇宙红移的性质。在物理学中，一个问题通常有多种解决方案，它们会得出同样的结果。然而，在宇宙中，一个问题通常只有一种解决方案。摆在科学家面前的巨大挑战是弄清楚大自然允许的可能性中，哪一种是最真实的。膨胀的宇宙到底是怎样的呢？当我们观察一个遥远的星系时，来自星系的光要么由于空间膨胀而红移，要么实际上星系正在远离我们。那么我们如何区分宇宙红移和多普勒红移？宇宙的超远视图显示星系正以极快的速度远离我们。在这些距离上，星系看起来更多、更小、进化程度更低，而且与附近的星系相比，它们会以更大的红移后退。当你看着天空中一个遥远的物体时，可以通过观察它的光来了解它。恒星将根据它们的温度和速度而发光。当我们观察一个遥远的星系时，需要数百万、数十亿甚至数万亿颗恒星来组成我们所看到的光。但是有大量的信息是用这种光编码的，天文学家已经知道了如何提取它。通过光谱学的光学技术，将到达的光分解成单独的波长，可以在光的连续背景中找到特定的发射和吸收特征。无论原子或分子存在于何处，只要能量水平合适，它就会吸收或发出具有明确特征频率的光。太阳的可见光光谱，它不仅帮助我们了解太阳的温度和电离，而且还帮助我们了解太阳上存在的元素的丰度。这条又长又粗的线是氢和氦，但其他每条线都来自于一种重元素，而这种元素一定是在上一代恒星中产生的，而不是热大爆炸。这些元素都具有对应于显式波长的特定特征。一个原子是中性的，电离了一、二、三次，还是在一个分子中结合在一起，将决定它发出或吸收的特定波长。当我们发现同一原子或分子发出或吸收多条线时，就能唯一地确定它在我们所观察的系统中的存在。同一类型的原子、离子或分子所发射和吸收的不同波长的比率在整个宇宙中从未改变。但是，即使原子、离子、分子和控制它们跃迁的量子规则在空间的任何地方、任何时间都是恒定的，我们所观察到的也不是恒定的。这是因为我们观察到的不同物体，它们的光可以有系统地移动，保持波长比不变，但总波长要移动一个整体乘以因子。我们观察到的一些物体显示出特定原子、离子或分子的吸收或发射光谱特征，但它们有一个向光谱的红端或蓝端系统转移的过程。但是，为什么我们从远处物体上观察到的光，会以相同的比例，在每一个物体上的所有线条上同时发生移动？第一种可能是我们经常遇到的：多普勒频移。当一个发出波的物体向你移动时，你接收到的波峰之间的空间就会变小，因此你观察到的频率会向高于源发出的频率的方向移动。类似地，当发射器远离你时，波峰之间有更多的空间，因此你观察到的频率会向更长的值移动。从移动的车辆发出的声音——警笛声、救护车声、冰淇淋车声——你可能已经很熟悉了，但光源也会发出类似的声音。当一个物体以接近光速的速度运动时，它发出的光会随着观察者的位置而发生位移。左边的人会看到光源远离它，因此光线会红移，当光源向右移动时，光源右边的人会看到它蓝移，或者移到更高的频率。然而，还有第二种可能：这可能是一种宇宙学上的转变。在广义相对论中，物理上不可能有一个充满物质和辐射的静态宇宙。如果我们有一个宇宙，在最大的尺度上，到处充满等量的能量，那么这个宇宙要么膨胀要么收缩。如果宇宙膨胀，从遥远的光源发出的光的波长会随着空间结构本身的膨胀而拉长，从而导致红移。同样，如果宇宙收缩，发出的光的波长会被压缩，导致蓝移。这幅图说明了红移如何在膨胀的宇宙中起作用。当一个星系变得越来越远时，它必须在不断膨胀的宇宙中行进更长的距离和更长的时间。如果宇宙在收缩，光就会出现蓝移。当我们观察宇宙中实际存在的星系时，绝大多数星系不只是红移，它们的红移量与它们到我们的距离成正比。一个星系离我们越远，它的红移就越大。20世纪20年代末，乔治·勒迈特、霍华德·罗伯逊和埃德温·哈勃等科学家首次提出了这一观点。即使在早期，这一观点也被认为是支持宇宙膨胀的压倒性证据。换句话说，近一个世纪以前，人们已经接受了这样的解释，即红移距离关系是由空间膨胀而不是多普勒频移引起的。年哈勃望远镜对宇宙膨胀进行了最初观测，随后进行了更详细但也不确定的观测。哈勃的图像清楚地显示了与它的前辈和竞争对手相比，具有优越数据的红移距离关系。事实证明，对于我们所观察到的红移距离关系，实际上有四种可能的解释：来自这些遥远星系的光在穿越太空时变得“疲惫”并失去能量。星系是由最初的爆炸演化而来的，到目前为止，爆炸将一些星系推得离我们更远。星系运动迅速，随着时间的推移，运动越快、红移越高的星系离我们越远。空间本身的结构在膨胀。幸运的是，有一些观察的方法可以区分这些选项。根据疲劳光假说，我们每秒从每个物体接收到的光子数与距离的平方成正比，而我们看到的物体数则随着距离的平方成正比增加。物体的颜色应该更红，但是每秒发射的光子数量应该是恒定的，这是距离的函数。然而，在一个不断膨胀的宇宙中，随着时间的推移，我们每秒接收到的光子越来越少，因为随着宇宙的膨胀，光子必须走得更远，而红移也减少了能量。即使把星系演化因素考虑在内，也会导致地表亮度的变化，而这种变化在很远的地方就会变得更加微弱。首先是观察遥远星系的表面亮度。如果宇宙不膨胀，一个更遥远的星系会显得更暗淡，但是一个均匀的星系密度会确保我们在看的更远的地方遇到更多的星系。在宇宙中，当光线变得疲惫不堪时，我们就会从越来越远的星系中获得恒定数量的光子密度。唯一的区别是，星系越远，光的颜色就越红。这被称为托尔曼表面亮度测试，结果表明，遥远星系的表面亮度随着红移而降低，而不是保持不变。从12万个星系的红移和大规模结构的形成，推断出它们的三维重建及其聚类特性。来自这些调查的数据使我们能够进行星系深度计数，科学家们发现这些数据符合一个膨胀的场景，而不是最初的爆炸。爆炸假说很有趣，因为如果我们看到星系向四面八方远离我们，我们可能会忍不住得出这样的结论：很久以前就有过一次爆炸，我们看到的星系表现得像向外移动的弹片。然而，如果是这样的话，这应该很容易探测到，因为在距离最大的地方，每单位体积的星系数量应该更少。另一方面，如果宇宙在膨胀，我们实际上应该期望在最大距离的单位体积上有更多的星系，而这些星系应该更年轻，进化更少，质量和大小更小。这是一个可以通过观测来解决的问题，而且相当明确：深星系计数表明宇宙在膨胀，而不是星系被抛到离爆炸很远的地方。基于运动的红移/距离解释(虚线)与广义相对论(实线)对膨胀宇宙中距离的预测之间的差异。毫无疑问，只有广义相对论的预测与我们所观察到的相符。最后，有一个直接的红移距离测试可以确定红移是由于多普勒运动或膨胀的宇宙。测量物体的距离有不同的方法，但最常见的两种方法如下:角径距离，你知道一个物体的物理尺寸，并根据它的大小来推断它的距离。光度距离，你知道一个物体本质上有多亮，并根据它看起来有多亮来推断它的距离。当你向外看遥远的宇宙时，光必须穿过宇宙从发光物体到达你的眼睛。当你根据你的观察计算重建到目标的适当距离时，毫无疑问：数据与膨胀的宇宙的预测相一致，而不是与多普勒解释相一致。这张图片显示了SDSSJ+(中心)，早期宇宙中最亮的类星体。它的光来自于宇宙只有9亿年的时候，而我们今天有亿年的年龄。根据它的性质，我们可以推断到这个类星体大约亿光年的距离。
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